一种突破Bode-Fano极限的有源电小发射天线的制作方法

一种突破bode
‑
fano极限的有源电小发射天线
技术领域
1.本发明涉及一种有源电小发射天线，特别是一种突破bode
‑
fano极限的有源电小发射天线。


背景技术：

2.电小天线由于其尺寸相对于其工作波长来说很小，这使得它们在与空间有限的平台相关的各种无线应用中非常有用。然而，天线的性能与其电尺寸存在固有的限制关系，比如阻抗带宽和可实现增益，即bode
‑
fano极限。这极大的限制了电小天线在需高增益的空间受限平台无线通信系统中的应用。
3.为了提升电小天线的增益，研究人员人们已经提出了一些较好的方法，这些方法包括：八木结构、引入覆盖结构、近场谐振寄生元件以及惠更斯天线。所有的这些方法都可以有效的提升电小天线的增益，但仍然受到无源bode
‑
fano极限的限制。
4.有源电路被广泛应用于提高无线系统的有效增益；一种常用的方法是将有源放大电路与无源天线直接级联，以显著提高其有效增益。然而，级联配置中的电路和传输线显著地增加了系统的整体尺寸。因此，级联方法一般不适合实现整体电小设计。
5.因此，设计一款可以应用于空间受限平台中无线通信系统的高增益有源电小发射天线显得十分的重要。


技术实现要素：

6.本发明的目的就是提供一种突破bode
‑
fano极限的有源电小发射天线。
7.本发明的目的是通过这样的技术方案实现的，它包括有第一金属地板，以及设置在所述第一金属地板上且相互垂直的电小近场谐振寄生天线单元、负反馈放大电路单元，所述电小近场谐振寄生天线单元及负反馈放大电路单元均垂直于所述第一金属地板；
8.用于传输和辐射信号的电小近场谐振寄生天线单元与所述负反馈放大电路单元连接。
9.进一步，所述电小近场谐振寄生天线单元包括第一介质基板，以及设置在所述第一介质基板正面上的激励组件、寄生辐射组件，所述激励组件与寄生辐射组件相互平行，所述寄生辐射组件与所述负反馈放大电路单元连接。
10.进一步，所述负反馈放大电路单元包括第二金属地板、第二介质基板，以及设置在所述第二介质基板正面上的运算放大器芯片、反馈电路组件、匹配电路组件、第一偏置电路组件、第二偏置电路组件、输入端贴片、输出端贴片，所述第二金属地板贴设在所述第二介质基板的背面；
11.所述反馈电路组件、匹配电路组件、第一偏置电路组件、第二偏置电路组件以及输入端贴片的一端、输出端贴片的一端均与所述运算放大器芯片连接；
12.所述输入端贴片、输出端贴片的另一端均与所述激励组件连接。
13.进一步，所述寄生辐射组件包括对称贴设在所述第一介质基板上的第一l形贴片、
第二l形贴片，所述第一l形贴片与第二l形贴片的竖边均与所述第一金属地板垂直设置；
14.所述第一l形贴片与第二l形贴片竖边的自由端均与所述第一金属地板连接，所述第一l形贴片及第二l形贴片横边均贴设在所述第一介质基板远离所述第一金属地板的一端，且所述第一l形贴片与第二l形贴片横边的自由端分别与第一贴片电容的两端连接，所述第一贴片电容贴设在所述第一l形贴片与第二l形贴片横边之间的第一介质基板上；
15.所述激励组件包括贴设在所述第一介质基板上的第一贴片及第二贴片，所述第一贴片包括第一竖边、第一横边、第二竖边，所述第二贴片包括第三竖边、第二横边、第四竖边、第三横边；
16.所述第一竖边的底端与欧姆同轴馈电的内导体连接，所述欧姆同轴馈电外导体与第一金属地板连接，所述第一竖边的顶端与所述第一横边的一端连接，所述第一横边的另一端与所述第二竖边的底端连接，所述第二竖边的顶端与所述负反馈放大电路单元的输入端贴片连接；
17.所述第三竖边的底端与所述第一金属地板连接，所述第三竖边的顶端与所述第二横边的一端连接，所述第二横边的另一端与所述第四竖边的底端连接，所述第四竖边的顶端与所述第三横边的一端连接，所述第三横边的另一端与所述负反馈放大电路单元的输出端贴片连接。
18.进一步，所述反馈电路组件包括用于调节所述负反馈放大电路单元输出增益的反馈电阻与可调分压电阻，所述反馈电阻与可调分压电阻并联，所述反馈电路组件的一端与所述运算放大器芯片连接，所述反馈电路组件的另一端与反馈回路组件连接；
19.所述匹配电路包括用于匹配源端欧姆阻抗和放大器输入阻抗的匹配电阻；
20.用于驱动运算放大器芯片工作的第一偏置电路组件及第二偏置电路组件均由三个并联放置的第二贴片电容、第二贴片电容、第三贴片电容组成，所述第一偏置电路组件及第二偏置电路组件的一端分别与直流电源vs 、vs
‑
连接，所述第一偏置电路组件及第二偏置电路组件的另一端均与运算放大器芯片连接；
21.所述输入端贴片的另一端与所述第二竖边的顶端连接，所述输出端贴片的另一端与所述第三横边的一端连接。
22.进一步，所述反馈回路组件包括第三贴片、第四贴片、金属通孔；
23.所述第三贴片贴设在所述第一介质基板的正面，所述第四贴片的一端贴设在所述第二介质基板的背面，所述第二金属地板上开设有用于避让所述第四贴片的环形槽，所述第三贴片的一端与所述第一l形贴片连接，所述第三贴片的另一端与所述第四贴片的一端连接；
24.所述第二介质基板上开设有金属通孔，所述金属通孔的一端与第四贴片连接，所述金属通孔的另一端与所述反馈电路组件连接。
25.进一步，所述第一l形贴片与第二l形贴片竖边长度均为l1为11
‑
15mm，宽度w2均为2
‑
3mm；
26.所述第一竖边的长度为l5，第一横边及第二竖边的长度和l7，所述第一贴片的长度l5 l7为5
‑
7mm；
27.所述第三竖边的长度为l4，第二横边的长度为w4，第四竖边与第三横边的长度为l6，所述第二贴片的长度l4 w4 l6为16
‑
20mm；
28.所述第一贴片与第二贴片的宽度w5相同，w5均为0.1
‑
0.3mm；
29.所述第一贴片电容为5
‑
6pf；
30.所述第三贴片的长度l9为1.5
‑
2mm，所述第四贴片的长度l10为2.5
‑
3mm。
31.进一步，所述第一金属地板的厚度h2为1mm；
32.所述第一介质基板的长度l1为13.8mm，宽度w1为22.4mm，所述第二介质基板的宽度l8为10mm，所述第一介质基板与第二介质基板的材料均为rogers duroid
tm 5880，厚度h1均为0787mm，相对介电常数均为2.2，损损耗角正切均为0.0009；
33.所述第一l形贴片与第二l形贴片竖边长度均为l3为11.69mm，宽度w2均为2.4mm，所述第一l形贴片与第二l形贴片横边的长度w2为8.4mm，宽度均l2为1.91mm，所述第一l形贴片横边的自由端与第二l形贴片的横边的自由端之间的距离g1为0.4mm；
34.所述第一竖边的长度l5为3mm，第一横边及第二竖边的长度和l7为3.46mm，所述第三竖边的长度l4为4mm，第二横边的长度w4为7.3mm，第四竖边与第三横边的长度l6为6.39mm，所述第一贴片与第二贴片的宽度w5均为0.2mm；
35.所述第三贴片的长度l9为1.89mm，所述第四贴片的l10长度为2.78mm；
36.所述第一偏置电路组件及第二偏置电路组件一端的直流电源vs 与vs
‑
分别为2.5v、
‑
2.5v；
37.所述放大器型号为opa855，其输入阻抗为2.3mω，输出阻抗为145ω，所述组成反馈回路的反馈电阻为499ω，可调分压电阻为0
‑
2kω，所述匹配电路中的匹配电阻为50ω；
38.所述第一贴片电容为5.6pf，所述第一偏置电路及第二偏置电路中的第二贴片电容、第三贴片电容、第四贴片电容分别为0.01μf、0.22μf和2.2μf；
39.所述输入端贴片、输出端贴片、第一贴片、第二贴片为宽度、厚度均相同的覆铜薄膜，所述第一l形贴片与第二l形贴片为宽度、厚度均相同的覆铜薄膜，所述第三贴片和第四贴片为宽度、厚度均相同的覆铜薄膜。
40.由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：
41.1、本发明通过将电小天线巧妙的嵌入运算放大器反馈电路中，可显著增加电小天线的有效增益，进而突破其无源bode
‑
fano极限，而且不消耗任何额外的空间。
42.2、本发明中所设计的天线具有电小尺寸，其ka仅为0.15。且在谐振频点414mhz具有良好的匹配，可良好的应用于空间受限平台的无线通信系统。
43.3、本发明中所设计的天线具有较大的增益带宽积，相较于其无源状态，增益带宽积提升了近15倍。
44.4、本发明中所设计的天线，通过调整反馈电路中的可调分压电阻，可以改变放大电路的放大倍数，进而改变天线的辐射增益。
45.本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。
附图说明
46.本发明的附图说明如下。
47.图1为本发明的整体结构的三维视图。
48.图2为本发明第一介质基板的正面视图。
49.图3为本发明第二介质基板的正面视图。
50.图4为本发明第二介质基板的背面视图。
51.图5为本发明无源仿真|s
11
|和可实现增益(虚线)以及不同电阻r
g
下的有源测试|s
11
|和有效增益(实线)。
52.图6为本发明实施例在414mhz处，可调电阻r
g
＝5ω时的e面和h面方向图。
53.图7为本发明实施例在414mhz处，可调电阻r
g
＝200ω时的e面和h面方向图。
54.图8为本发明实施例在414mhz处，可调电阻r
g
＝400ω时的e面和h面方向图。
55.图9为本发明实施例在414mhz处，可调电阻r
g
＝700ω时的e面和h面方向图。
56.图10为本发明实施例在414mhz处，可调电阻r
g
＝1200ω时的e面和h面方向图。
57.图11为本发明实施例在414mhz处，可调电阻r
g
＝2000ω时的e面和h面方向图。
58.图中：1
‑
第一金属地板；2
‑
电小近场谐振寄生天线单元；3
‑
负反馈放大电路单元；4
‑
第一介质基板；5
‑
激励组件；6
‑
寄生辐射组件；7
‑
第二金属地板；8
‑
第二介质基板；9
‑
运算放大器芯片；10
‑
反馈电路组件；11
‑
匹配电路组件；12
‑
第一偏置电路组件；13
‑
第二偏置电路组件；14
‑
输入端贴片；15
‑
输出端贴片；16
‑
第一l形贴片；17
‑
第二l形贴片；18
‑
第一贴片电容；19
‑
第一贴片；20
‑
第二贴片；21
‑
第一竖边；22
‑
第一横边；23
‑
第二竖边；24
‑
第三竖边；25
‑
第二横边；26
‑
第四竖边；27
‑
第三横边；28
‑
欧姆同轴馈电；29
‑
反馈电阻；30
‑
可调分压电阻；31
‑
反馈回路组件；32
‑
匹配电阻；33
‑
第二贴片电容；34
‑
第二贴片电容；35
‑
第三贴片电容；36
‑
第三贴片；37
‑
第四贴片；38
‑
金属通孔；39
‑
环形槽。
具体实施方式
59.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
60.如图1
‑
图4所示的一种突破bode
‑
fano极限的有源电小发射天线，其特征在于，包括第一金属地板1，以及设置在所述第一金属地板1上且相互垂直的电小近场谐振寄生天线单元2、负反馈放大电路单元3，所述电小近场谐振寄生天线单元2及负反馈放大电路单元3均垂直于所述第一金属地板1；
61.用于传输和辐射信号的电小近场谐振寄生天线单元2与所述负反馈放大电路单元3连接。
62.作为本发明的一种实施例，所述电小近场谐振寄生天线单元2包括第一介质基板4，以及设置在所述第一介质基板4正面上的激励组件5、寄生辐射组件6，所述激励组件5与寄生辐射组件6相互平行，所述寄生辐射组件6与所述负反馈放大电路单元3连接。
63.作为本发明的一种实施例，所述负反馈放大电路单元3包括第二金属地板7、第二介质基板8，以及设置在所述第二介质基板8正面上的运算放大器芯片9、反馈电路组件10、匹配电路组件11、第一偏置电路组件12、第二偏置电路组件13、输入端贴片14、输出端贴片15，所述第二金属地板7贴设在所述第二介质基板8的背面；
64.所述反馈电路组件10、匹配电路组件11、第一偏置电路组件12、第二偏置电路组件13以及输入端贴片14的一端、输出端贴片15的一端均与所述运算放大器芯片9连接；
65.所述输入端贴片14、输出端贴片15的另一端均与所述激励组件5连接。
66.作为本发明的一种实施例，所述寄生辐射组件6包括对称贴设在所述第一介质基板4上的第一l形贴片16、第二l形贴片17，所述第一l形贴片16与第二l形贴片17的竖边均与所述第一金属地板1垂直设置；
67.所述第一l形贴片16与第二l形贴片17竖边的自由端均与所述第一金属地板1连接，所述第一l形贴片16及第二l形贴片17横边均贴设在所述第一介质基板4远离所述第一金属地板1的一端，且所述第一l形贴片16与第二l形贴片17横边的自由端分别与第一贴片电容18的两端连接，所述第一贴片电容18贴设在所述第一l形贴片16与第二l形贴片17横边之间的第一介质基板4上；
68.所述激励组件5包括贴设在所述第一介质基板4上的第一贴片19及第二贴片20，所述第一贴片19包括第一竖边21、第一横边22、第二竖边23，所述第二贴片20包括第三竖边24、第二横边25、第四竖边26、第三横边27；
69.所述第一竖边21的底端与欧姆同轴馈电28的内导体连接，所述欧姆同轴馈电28外导体与第一金属地板1连接，所述第一竖边21的顶端与所述第一横边22的一端连接，所述第一横边22的另一端与所述第二竖边23的底端连接，所述第二竖边23的顶端与所述负反馈放大电路单元3的输入端贴片14连接；
70.所述第三竖边24的底端与所述第一金属地板1连接，所述第三竖边24的顶端与所述第二横边25的一端连接，所述第二横边25的另一端与所述第四竖边26的底端连接，所述第四竖边26的顶端与所述第三横边27的一端连接，所述第三横边27的另一端与所述负反馈放大电路单元3的输出端贴片15连接。
71.作为本发明的一种实施例，所述反馈电路组件10包括用于调节所述负反馈放大电路单元3输出增益的反馈电阻29与可调分压电阻30，所述反馈电阻29与可调分压电阻30并联，所述反馈电路组件10的一端与所述运算放大器芯片9连接，所述反馈电路组件10的另一端与反馈回路组件31连接；
72.所述匹配电路15包括用于匹配源端欧姆阻抗和放大器输入阻抗的匹配电阻32；
73.用于驱动运算放大器芯片9工作的第一偏置电路组件12及第二偏置电路组件13均由三个并联放置的第二贴片电容33、第二贴片电容34、第三贴片电容35组成，所述第一偏置电路组件12及第二偏置电路组件13的一端分别与直流电源vs 、vs
‑
连接，所述第一偏置电路组件12及第二偏置电路组件13的另一端均与运算放大器芯片9连接；
74.所述输入端贴片14的另一端与所述第二竖边23的顶端连接，所述输出端贴片15的另一端与所述第三横边27的一端连接。
75.作为本发明的一种实施例，所述反馈回路组件31包括第三贴片36、第四贴片37、金属通孔38；
76.所述第三贴片36贴设在所述第一介质基板4的正面，所述第四贴片37的一端贴设在所述第二介质基板8的背面，所述第二金属地板7上开设有用于避让所述第四贴片37的环形槽39，所述第三贴片36的一端与所述第一l形贴片16连接，所述第三贴片36的另一端与所述第四贴片37的一端连接；
77.所述第二介质基板8上开设有金属通孔38，所述金属通孔38的一端与第四贴片37连接，所述金属通孔38的另一端与所述反馈电路组件10连接。
78.作为本发明的一种实施例，设置所述第一金属地板1的厚度h2为1mm；
79.所述第一介质基板4的长度l1为13.8mm，宽度w1为22.4mm，所述第二介质基板8的宽度l8为10mm，所述第一介质基板4与第二介质基板8的材料均为rogers duroid
tm 5880，厚度h1均为0787mm，相对介电常数均为2.2，损损耗角正切均为0.0009；
80.所述第一l形贴片16与第二l形贴片17竖边长度均为l3为11.69mm，宽度w2均为2.4mm，所述第一l形贴片16与第二l形贴片17横边的长度w2为8.4mm，宽度均l2为1.91mm，所述第一l形贴片16横边的自由端与第二l形贴片17的横边的自由端之间的距离g1为0.4mm；
81.所述第一竖边21的长度l5为3mm，第一横边22及第二竖边23的长度和l7为3.46mm，所述第三竖边24的长度l4为4mm，第二横边25的长度w4为7.3mm，第四竖边26与第三横边27的长度l6为6.39mm，所述第一贴片19与第二贴片20的宽度w5均为0.2mm；
82.所述第三贴片36的长度l9为1.89mm，所述第四贴片37的l10长度为2.78mm；
83.所述第一偏置电路组件12及第二偏置电路组件13一端的直流电源vs 与vs
‑
分别为2.5v、
‑
2.5v；
84.所述放大器20型号为opa855，其输入阻抗为2.3mω，输出阻抗为145ω，所述组成反馈回路21的反馈电阻29为499ω，可调分压电阻30为0
‑
2kω，所述匹配电路22中的匹配电阻为50ω；
85.所述第一贴片电容18为5.6pf，所述第一偏置电路23及第二偏置电路24中的第二贴片电容33、第三贴片电容32、第四贴片电容33分别为0.01μf、0.22μf和2.2μf；
86.所述输入端贴片14、输出端贴片15、第一贴片19、第二贴片20为宽度、厚度均相同的覆铜薄膜，所述第一l形贴片16与第二l形贴片17为宽度、厚度均相同的覆铜薄膜，所述第三贴片36和第四贴片37为宽度、厚度均相同的覆铜薄膜。
87.依照上述参数，使用安捷伦n5225a网络分析仪和微波暗室对所设计的突破bode
‑
fano极限的有源电小发射天线的反射系数(|s
11
|)、有效增益以及辐射方向图特性参数分别进行测试分析，其分析结果如下：
88.如图5所示的一种突破bode
‑
fano极限的有源电小发射天线的无源仿真|s
11
|和可实现增益(虚线)以及不同电阻r
g
下的有源测试|s
11
|和有效增益(实线)可知，与对应无电小天线的模拟结果相比，两种情况下的有源电小天线的|s
11
|曲线(灰色实线)在整个频率范围内均小于
‑
10db。这种有利的阻抗匹配结果来自于在放大电路的正输入端口出现的50ω匹配电阻，值得注意的是，这两条曲线在无源电小天线的工作频率附近均达到最小值，即在413.4mhz附近。
89.进一步，我们可以发现，通过调节可调电阻rg的电阻从5ω到2000ω，有源天线的有效增益分别为7.232和1.222dbi，可以在δ1＝6.01db范围内动态调谐。相较于无源电小天线，有效增益最大提升了9.125dbi。我们还注意到，测试的有效增益曲线的3
‑
db增益带宽得到扩展。这是因为放大电路补偿了在无源电小天线谐振频率附近较小的增益值，从而扩展了带宽。
90.进一步，所述突破bode
‑
fano极限的有源电小发射天线的峰值有效增益为7.232dbi＝5.287，这个峰值出现在rg＝5ω；相应的fbw
3db
＝0.00966；这意味着有源天线增益带宽积gbwpmax＝5.287
×
0.0097＝0.0513；因此，gbwp
有源
/gbwp
无源
＝15.2，即：测量的有源电小天线的增益带宽积比对应无源电小天线的上限提高了15.2倍。
91.如图6
‑
图11所示，rg为5ω、200ω、400ω、700ω、1200ω、2000ω时，测试的有源电
小天线在其工作频带中心频率414mhz的e面(yoz)和h面(xoz)主极化和交叉极化的有效增益图；所有情况下的有效增益峰值均沿垂直方向，即θ＝0
°
方向；测试的交叉极化比主极化低15db，表明有源电小天线极化纯度较高。此外，有效增益方向图在所有情况下都是均匀和稳定的；因此可以进一步证明，负反馈放大电路对它们的峰值有很大的影响，但对它们的形状影响很小。
92.本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd
‑
rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
93.本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
94.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
95.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
96.最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。